【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 make the necessary preparations for the theory. It put forward the end of the optimized design, and gives the theoretical analysis which is about the direction of research. Keyword: Threephase asynchronous motor。 design。 electromagic parameters。 performance。 optimization program 1 前 言 電動(dòng)機(jī)是作為使用電能的動(dòng)力源進(jìn)步和發(fā)展起來(lái)的，在今天，電動(dòng)機(jī)技術(shù)仍然是支撐人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)鍵技術(shù)。電動(dòng)技術(shù)機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵組成部分。 三相異步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種交流電動(dòng)機(jī)。由于轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，因此稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠及重量輕成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還還便于派生各防護(hù)型式以使用不同環(huán)境條件的需要，也有較高的效率和較好的工作特性。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，它是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。例如 :中小型軋鋼設(shè)備 ,礦山機(jī)械 ,機(jī)床 ,起重運(yùn)輸機(jī)械 ,鼓風(fēng)機(jī) ,水 泵 ,和農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等都大部分采用三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。 2 第 1 章 概 述 我國(guó)電機(jī)制造工業(yè)發(fā)展近況與發(fā)展趨勢(shì) 隨著我國(guó)改革開(kāi)放的進(jìn)一步深入以及 WTO 的加入，我國(guó)小功率電機(jī)又迎來(lái)了一個(gè)全新的發(fā)展階段，這一階段大量的外資企業(yè)進(jìn)入我國(guó)，在為我們帶來(lái)先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)也帶來(lái)了先進(jìn)的技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)企業(yè)借機(jī)吸收引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，投入大量資金進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)不少先進(jìn)制造設(shè)備和測(cè)試設(shè)備，大大提升了國(guó)內(nèi)小功率電機(jī)行業(yè)的技術(shù)水平。 隨著 CAD/CAM 等軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造技術(shù)的大量應(yīng)用以及以計(jì)算機(jī)控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)器人進(jìn)行裝配等的組合，由計(jì)算機(jī)控制材料、部件的供應(yīng)管理達(dá)到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動(dòng)化均衡生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期大大縮短，制造成本顯著降低；電子計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)的發(fā)展使小功率電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，交流變頻調(diào)速已經(jīng)逐步取代直流電機(jī)調(diào)速，逆變器與異步電機(jī)結(jié)合一體，有標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)安裝尺寸、調(diào)速比 10∶ 1的逆變器電動(dòng)機(jī)已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)，有程序控制功能的智能電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng) 域，顯示出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、盤(pán)式永磁直流電動(dòng)機(jī)、薄型穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品也以較高速度發(fā)展；再加上新型稀土磁鋼的使用，使小功率電機(jī)本機(jī)制作體積越來(lái)越小；再則電機(jī)與整體結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的引入進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)精度和可靠性，集電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)于一體的小功率電機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)多功能，而且可借助計(jì)算機(jī)記憶、運(yùn)算、處理功能提高電機(jī)控制精度和靈敏度，成為智能化產(chǎn)品。所有這些新材料、新技術(shù)的應(yīng)用都不斷促使小功率電機(jī)日益朝著薄型化、智能化和機(jī)電一體化方向發(fā)展。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó) 電機(jī)耗電占全國(guó)耗電量的 60%以上，其中小型三相異步電機(jī)耗電約占 35%， 中國(guó)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量已超過(guò) 4 億 kW，其中異步電動(dòng)機(jī)約占90%，中小型電動(dòng)機(jī)約占 80%，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵及壓縮機(jī)類(lèi)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)約 億kW。 所以在我國(guó)開(kāi)發(fā)推廣高效電機(jī)是提高能源利用率的重要措施之一，也符合國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。 我國(guó)目前已具備了生產(chǎn)高效電機(jī)的技術(shù)條件，但由于市場(chǎng)條件不夠成熟，產(chǎn)量和市場(chǎng)容量都較小。 1999年高效電機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率僅 2%， 2020年為 %；2020 年也只有 %，其中 70%以上為出口。 3 異步電機(jī)的種類(lèi) ： (1) Y(IP44)系列異步電動(dòng)機(jī) 電 動(dòng)機(jī)容量從 ～ 200kW， B級(jí)絕緣，防護(hù)等級(jí) IP44，達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品達(dá)到 20世紀(jì) 70 年代末國(guó)際水平，全系列加權(quán)平均效率比 JO2 系列提高 %，年產(chǎn)量約 2020 萬(wàn) kW。 (2) Yx 系列高效電動(dòng) 該類(lèi)電機(jī)由上海電器科學(xué)研究所組織電機(jī)行業(yè)研制成功，容量 ～ 90kW，有 2， 4， 6等 3種極數(shù)。全系列電動(dòng)機(jī)效率平均比 Y(IP44)系列高 3%左右，接近國(guó)際先進(jìn)水平。適用于單方向運(yùn)行，年工作時(shí)間在 3000h 以上。負(fù)載率大于50%的場(chǎng)合，節(jié)電效果顯著。該系列電動(dòng)機(jī)產(chǎn)量不高，年產(chǎn)量約 1 萬(wàn) kW。 近十多年來(lái)， 國(guó)家 致力于推廣電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)，各行各業(yè)都在一定程度上采用了電動(dòng)機(jī)調(diào)速。據(jù)石油、電力、建材、鋼鐵、有色、煤炭、化工、造紙、紡織等部門(mén)最近對(duì)企業(yè)抽樣調(diào)查結(jié)果，石油、建材、化工行業(yè)電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用較好。在目前 4億 kW的電機(jī)負(fù)載中，約有 50%是負(fù)載變動(dòng)的，其中的 30%可以通過(guò)電機(jī)調(diào)速解決其負(fù)載變動(dòng)問(wèn)題。因此僅就目前的市場(chǎng)容量考慮，約有 6000萬(wàn) kW 的調(diào)速電機(jī)市場(chǎng)。 國(guó) 家已明令不再生產(chǎn) JO2 系列異步電機(jī)， “ 九五 ” 期間將生產(chǎn) Y 系列、 Yx 系列及其它通用或?qū)Ｓ酶咝Ч?jié)能電動(dòng)機(jī)約 kW(未包括更換現(xiàn)有 JO2 型用的新型電動(dòng)機(jī) )。估計(jì) 2020 年和 2020 年 Y和 Yx 系列電機(jī)的市場(chǎng)占有率將分別達(dá)到50%， 90%和 10%， 30%左右。由高效電機(jī)替代 JO2 電機(jī)所形成的節(jié)電量將分別為，114 億 kWh 和 366 億 kWh 。 異步電機(jī)在國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r 歐洲市場(chǎng)的中國(guó)電機(jī)銷(xiāo)售主要以小型電機(jī)為主，功率最大是 100 多千瓦，最小功率甚至還不到 1 千瓦，而大型電機(jī)還是一個(gè)空缺。 歐洲市場(chǎng)對(duì)電機(jī)效率的標(biāo)準(zhǔn)要求高于西亞，東南亞而低于美國(guó)，不但適合于我國(guó)企業(yè)生產(chǎn)和出口，而且在合理和有序開(kāi)發(fā)的前提下還能保證出口企業(yè)獲得適當(dāng)?shù)睦麧?rùn)，同時(shí)該市場(chǎng)多以歐元結(jié)算，在目前歐元堅(jiān)挺的情況下應(yīng)該是出口企業(yè)首選的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。 取得了一定的成效。這些節(jié)能產(chǎn)品主要分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是提高電動(dòng)機(jī)效率的高效電動(dòng)機(jī)，另一類(lèi)是調(diào)速電動(dòng)機(jī)。調(diào)速電動(dòng)機(jī)的代表產(chǎn)品根據(jù)其調(diào)速方式可以劃分為： 4 (1) 變極調(diào)速電機(jī) 主要產(chǎn)品有已批量生產(chǎn)的 YD(～ 160kW)， YDT(～ 160kW)，YDB(～ 82kW)， YD(～ 24kW)， YDFW(630～ 4000kW)等 8 個(gè)系列產(chǎn)品，達(dá)到國(guó)際平均應(yīng)用水平。 (2) 電磁滑差調(diào)速電機(jī) 國(guó) 外 已批量生產(chǎn) YCT(～ 90kW)， YCT2(15～ 250kW)， YCTD(～ 90kW)，YCTE(～ 630kW)， YCTJ(～ 15kW)等 8個(gè)系列產(chǎn)品，達(dá)到國(guó)際平均應(yīng)用水平，其中 YCTE 系列的技術(shù)水平最高，最有發(fā)展前途。 (3) 變頻調(diào)速電機(jī) 主要用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等負(fù)載變化較大場(chǎng)合和精密機(jī)械等需要過(guò)程控制的場(chǎng)合。 高效電 機(jī) 以 Y系列交流異步電動(dòng)機(jī)替代 JO2型電機(jī)基本不受機(jī)型限制，因此，所有應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合都可以用 Y 系列電機(jī)取代 JO2 系列電機(jī)。Yx 系列電機(jī)的市場(chǎng)潛力受到其容量的制約。原則上， 90kW 以下的交流異步電動(dòng)機(jī)可以由 Yx 系列的高效電機(jī)取代。 90kW 以下的交流異步電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量約占交流異步電動(dòng)機(jī)總量的 30%左右。 電機(jī)的分類(lèi) 電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械。 電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。需要的電機(jī)的種類(lèi)各不相同，性能各異。電機(jī)的分類(lèi)方法也用很多，故電機(jī)的種類(lèi)也有很多。 1）按工作電源分類(lèi)： 根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電源的不同，可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。 2）按結(jié)構(gòu)及工作原理分類(lèi)： 根據(jù)電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，可分為直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。 3)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類(lèi)： 根據(jù)電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，可分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 4)按用途分類(lèi)： 可分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。 我國(guó)目前生產(chǎn)的三相異步電動(dòng)機(jī)月 100 個(gè)系列額， 500 多個(gè)品種， 500多個(gè)規(guī)格。按電機(jī)尺寸分成大、中、小型。 5 大型 ：中心高 H ,定子鐵心外徑 iD 1m,功率范圍在 400KW 以上，電壓為 300 V 和 600 V。 中型：中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m,功率范圍在（ 45—— 1250） KW 以上，電壓為 380 V 和 3000 V 和 6000 V。 小型：中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m,功率 范圍在（ —— 132） KW 以上，電壓為 380 V。 Y（ IP44）系列的中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m，共 11 個(gè)機(jī)座，功率范圍為（ —— 90） KW，電壓 380V。 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 三相異步電動(dòng)機(jī)由兩個(gè)基本部分構(gòu)成：固定部分 — 定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子按其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型和繞線型兩種。 定子由定子鐵心、機(jī)座、定子繞組等部分組成，定子鐵心是異步電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，一般由 毫米厚的硅鋼片疊壓而成，用壓圈及扣片固緊，各片之間相互絕緣，以減少渦流損耗。 定子繞組是由帶有絕緣的鋁導(dǎo)線或銅導(dǎo)線繞制而成的，小型電機(jī)采用散下線圈或稱(chēng)軟繞組，大中型電機(jī)采用成型線圈，又稱(chēng)為硬繞組。 圖 1 定子鐵心 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部分組成，轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心一樣，也是由 毫米硅鋼片疊壓而成。鼠籠型轉(zhuǎn)子的繞組是由安放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的裸導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)連接而成，如果去掉轉(zhuǎn)子鐵心，繞組 6 的形狀象 一個(gè)籠子；繞線型轉(zhuǎn)子的繞組與定子繞組相似，做成三相繞組，在內(nèi)部星型或三角型。 圖 2 鼠籠轉(zhuǎn)子 工作原理 當(dāng)定子繞組接至三相對(duì)稱(chēng)電源時(shí)，流入定子繞組的三相對(duì)稱(chēng)電流，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速 n1旋轉(zhuǎn)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e2，電動(dòng)勢(shì)的方向根據(jù)右手定則確定。 N極下的電動(dòng)勢(shì)方向用 ? 表示， S極下的電動(dòng)勢(shì)用 ? 表示，轉(zhuǎn)子電流的有功分量 i2a與 e2同相位，所以 ??和 既表示電動(dòng)勢(shì)的方向，又表示電流有功分量的方向。轉(zhuǎn)子電流有功分量與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力 fem,根據(jù)左手定則，在 N極下的所有電流方向?yàn)?? 的導(dǎo)體和在 S極下所有電流流向?yàn)?? 的導(dǎo)體均產(chǎn)生沿著逆時(shí)針?lè)较虻那邢螂姶帕?fem,在該電磁力作用下，使轉(zhuǎn)子受到了逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩 Mem 的驅(qū)動(dòng)作用，轉(zhuǎn)子將沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子軸端拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡，轉(zhuǎn)子將以恒速 n 拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換，這就是異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。 異步電動(dòng)機(jī)存在的缺點(diǎn) （ 1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，難以滿(mǎn)足帶負(fù)載起動(dòng)的需要。當(dāng)前社會(huì)上解決該問(wèn)題的多數(shù)辦法是提高電動(dòng)機(jī)的功率容量（即增容）來(lái)提高其起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩，這就造成嚴(yán)重的“大馬拉小車(chē)”，既增加購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的投資，又在長(zhǎng)期的應(yīng)用中因處于低負(fù)荷運(yùn)行而浪費(fèi)大量電量，很不經(jīng)濟(jì)。第二種辦法是增購(gòu)液力偶合器，先讓電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，在由液力偶合器驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種辦法同樣要增加添購(gòu)設(shè)備的投資，并因液 7 力偶合器的效率低于 97%，因此至少浪費(fèi) 3%的電能，因而整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的效率很低，同樣浪費(fèi)電量，更何況添加液力偶合器之后，機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大下降，顯著增加維護(hù)困難，因此不是一個(gè)好辦法。 （ 2）大轉(zhuǎn)矩不大，用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)過(guò)負(fù)荷的負(fù)載，如礦山所用破碎機(jī)等時(shí)，往往停轉(zhuǎn)而燒壞電動(dòng)機(jī)。以致 只能在輕載狀況下運(yùn)行，既降低了產(chǎn)量又浪費(fèi)電能。 （ 3）起動(dòng)電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。另一辦法是采用降壓起動(dòng)來(lái)降低起動(dòng)電流，同樣要增加添購(gòu)降壓裝置的投資，并且使本來(lái)就不好的起動(dòng)特性進(jìn)一步惡化。 繞線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相繞組通過(guò)集電環(huán)短路。起動(dòng)時(shí)，為減小起動(dòng)電流，轉(zhuǎn)子中可以串入起動(dòng)電阻，轉(zhuǎn)子串入適當(dāng)?shù)碾娮瑁粌H可以減小起動(dòng)電流，而且由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)和轉(zhuǎn)子電流有功分量增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也可增大。這種電動(dòng)機(jī)還可通過(guò)改變外串電阻調(diào)速。繞線型電動(dòng)機(jī)雖起動(dòng)特 性和運(yùn)行特性兼優(yōu)，但仍存在下列缺點(diǎn)： （ 1）由于轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，不僅增加制造成本，并且降低了起動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，集電環(huán)和電刷之間的滑動(dòng)接觸，是這種電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的主要原因。特別是集電環(huán)與電刷之間會(huì)產(chǎn)生火花，使傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)在礦山、井下、石油、華工等防爆要求的場(chǎng)所，對(duì)于灰土、粉塵濃度很高的地方，也不敢使用，這就限制了其應(yīng)用范圍。 （ 2）當(dāng)前的傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)為了提高可靠性，多數(shù)不提刷，因此運(yùn)行時(shí)存在下列電能浪費(fèi)：集電環(huán)和電刷間的摩擦損耗和接觸電阻上的電損耗，電刷至控制柜短路開(kāi)關(guān)間三根電纜的電損耗，若電動(dòng)機(jī)與控制柜之間距離很長(zhǎng)，則該損耗將非常嚴(yán)重。并且由于集電環(huán)與電刷產(chǎn)生碳粉、電火花和噪聲，長(zhǎng)期污染周?chē)h(huán)境，損害管理人員和周?chē)用窠】怠? （ 3）傳統(tǒng)繞線